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Tema 3. Gestión de la memoria
Competencias:
Comprender las funciones que debe desempeñar todo mecanismo
que gestiona la memoria, identificando las ventajas e inconvenientes
de los distintos esquemas de organización y su ámbito de
aplicabilidad.
Ser capaz de analizar el rendimiento de un sistema según la
organización de memoria que disponga.
Ser capaz de llevar a cabo un razonamiento crítico y lógico.
Capacidad dialéctica, siendo capaz de argumentar y defender sus
decisiones.
Conseguir capacidad de abstracción.
Ser capaz de enfrentarse a problemas nuevos recurriendo
conscientemente a estrategias que han sido útiles en problemas
resueltos anteriormente.
Área de Lenguajes y Sistemas Informáticos (E.G.R.)
Tema 3. Gestión de la memoria
1.
Visión general.
1.
2.
2.
Organización y gestión en sistemas monoprogramados.
1.
2.
3.
3.
Conceptos relacionados con la organización y gestión de la memoria.
Estrategias de administración del almacenamiento.
Organización y gestión en entornos de monoprogramación.
Protección.
Overlays.
Organización y gestión en sistemas multiprogramados.
1.
Introducción. Grado de multiprogramación.
1.
2.
2.
4.
Multiprogramación con intercambio a disco (Swapping).
Organización de la memoria virtual.
1.
2.
3.
4.
5.
Gestión de memoria con particiones fijas.
Gestión de memoria con particiones variables.
Conceptos básicos sobre memoria virtual.
Paginación.
(Actividad
Segmentación.
Paginación/segmentación.
3)
Gestión de la memoria virtual: Paginación.
1.
2.
3.
Algoritmos de sustitución de página.
Estrategias de búsqueda.
Evaluación de los sistemas paginados.
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1.
2.
3.
Liberación de página.
Tamaño de página.
Localidad.
1
1. Visión general (I)
1.1. Conceptos relacionados con la organización y gestión de la memoria.
Funciones:
1. Reubicación. El espacio de memoria asignado a un proceso puede cambiar durante
la vida del mismo, y ello conlleva realizar en cada momento la transformación de
las direcciones lógicas indicadas por el programador a direcciones físicas.
2. Protección. Evitar que un proceso altere el contenido de las posiciones asignadas a
otros procesos.
3. Utilización compartida. Permitir que varios procesos puedan acceder a la misma
zona de memoria de forma controlada.
4. Organización lógica. Reflejar la estructura lógica de los programas mediante una
división en bloques del espacio de direcciones. Ventajas:
codificar independientemente los diferentes bloques que componen los programas;
proporcionar fácilmente distintos grados de protección a los diferentes bloques;
introducir mecanismos que permitan que diferentes procesos compartan bloques de
memoria.
5. Organización física. Organizar el almacenamiento a dos niveles.
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1. Visión general (II)
1.2. Estrategias de administración del almacenamiento.
1.
Estrategias de búsqueda: deciden cuándo obtener el siguiente fragmento de
programa, o de datos, para insertarlo en la memoria principal.
Estrategias de búsqueda por demanda: el momento viene dado cuando algún
programa en ejecución hace referencia al citado fragmento;
Estrategias de búsqueda anticipada: predicen por donde irá el control del
programa en el paso siguiente para decidir el momento.
2.
Estrategias de colocación: deciden donde va a ser colocado un nuevo programa,
o un trozo de programa o de datos.
3.
Estrategias de reposición: deciden que fragmento de programa, o de datos, se va
a desplazar, para dejar sitio a los programas nuevos o a otros fragmentos.
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2
2. Organización y gestión en
sistemas monoprogramados (I)
2.1. Organización y gestión en entornos de monoprogramación.
Memoria Principal
Sistema Operativo
Trabajo completo
El tamaño del programa está limitado por la
cantidad de memoria principal menos el espacio
ocupado por el S. O..
Sin usar
2.2. Protección.
La protección del S. O. se realiza mediante un registro de límites, perteneciente a la
CPU, que contiene la dirección más alta (o más baja) utilizada por el S. O..
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2. Organización y gestión en
sistemas monoprogramados (II)
2.3. Overlays.
Si se desea ejecutar un trabajo cuyo tamaño es mayor que el espacio disponible de
memoria principal, será necesario usar programación con overlays (recubrimientos),
que consiste en dividir el trabajo en capas independientes, de forma que en la
memoria principal solo se tenga la capa que se está ejecutando en ese momento.
Memoria Principal
Sistema Operativo
Trozo (código y datos) que
deben permanecer en memoria
principal durante la ejecución
1
2
3
Área de recubrimiento
Fase de
Inicialización
Fase de
Fase de
Procesamiento
Salida
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3
3. Organización y gestión en
sistemas multiprogramados (I)
3.1. Introducción. Grado de multiprogramación.
La memoria principal se divide en una serie de particiones, conteniendo cada partición
un trabajo completo. Estas particiones se protegen mediante los registros de límites.
Memoria Principal
0
a
Sistema Operativo
Partición 1
b
Partición 2
C. P. U.
2
Proceso activo
b
Límite inferior
c
Límite superior
c
Partición 3
d
Estos registros también se usan para la relocalización:
a=b+d
a:
dirección
absoluta;
b:
base;
d:
dirección
relativa
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3. Organización y gestión en
sistemas multiprogramados (II)
3.1.1. Gestión de memoria con particiones fijas. (I)
Las particiones son de tamaño fijo, conteniendo cada partición un sólo trabajo
completo.
Modos de carga:
Carga fija o absoluta.
Memoria Principal
0
Cola de trabajos para la partición 1
…
Sistema Operativo
Partición 1
Cola de trabajos para la partición 2
…
b
Partición 2
Cola de trabajos para la partición 3
…
a
c
Partición 3
d
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4
3. Organización y gestión en
sistemas multiprogramados (III)
3.1.1. Gestión de memoria con particiones fijas. (II)
Carga relocalizable.
Memoria Principal
Sistema Operativo
Partición 1
a
b
Cola de trabajos
…
0
Partición 2
Partición 3
c
d
Problema: desperdicio de memoria debido a que el tamaño de las particiones esta
establecido a priori (fragmentación interna).
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3. Organización y gestión en
sistemas multiprogramados (IV)
3.1.2. Gestión de memoria con particiones variables. (I)
Cada trabajo ocupa sólo
el espacio que necesita.
Trabajo D (15 K)
Trabajo C (12 K)
Trabajo B (20 K)
Trabajo A (10 K)
Memoria Principal
Memoria Principal
Memoria Principal
Memoria Principal
Sistema Operativo
Sistema Operativo
Sistema Operativo
Sistema Operativo
Trabajo A (10K)
Trabajo A (10K)
Trabajo A (10K)
Trabajo B (20K)
Trabajo B (20K)
Libre
Libre
Trabajo C (12K)
Libre
Libre
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3. Organización y gestión en
sistemas multiprogramados (V)
3.1.2. Gestión de memoria con particiones variables. (II)
Técnicas:
Combinación de huecos:
Memoria Principal
Sistema Operativo
Trabajo A (10K)
Memoria Principal
Termina el
Trabajo A
Sistema Operativo
Libre 1 (30K)
Libre 1 (20K)
Trabajo C (12K)
Trabajo C (12K)
Libre 2 (25K)
Libre 2 (25K)
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3. Organización y gestión en
sistemas multiprogramados (VI)
3.1.2. Gestión de memoria con particiones variables. (III)
Compactación de memoria:
Memoria Principal
Sistema Operativo
Llega el
Trabajo D (12 K)
Memoria Principal
Sistema Operativo
Libre 1 (5 K)
Trabajo A (10 K)
Trabajo A (10 K)
Trabajo B (12 K)
Libre 2 (6 K)
Trabajo C (9 K)
Trabajo B (12 K)
Libre 3 (8 K)
Libre (22 K)
Trabajo C (9 K)
Libre 4 (3 K)
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3. Organización y gestión en
sistemas multiprogramados (VII)
3.1.2. Gestión de memoria con particiones variables. (IV)
Estrategias de colocación:
Memoria Principal
Sistema Operativo
Última
partición
creada
Trabajo A
Hueco 1 (20K)
Trabajo D
Hueco 2 (25K)
Trabajo C
Hueco 3 (18K)
Trabajo B
1. Estrategia de primer ajuste:
Lista de
Hueco 1
Hueco 2
huecos
Hueco 3
2. Estrategia de siguiente ajuste:
Lista de
Hueco 2
Hueco 3
huecos
Hueco 1
3. Estrategia de mejor ajuste:
Lista de
Hueco 3
Hueco 1
huecos
Hueco 2
4. Estrategia de peor ajuste:
Lista de
huecos
Hueco 2
Hueco 1
Hueco 3
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3. Organización y gestión en
sistemas multiprogramados (VIII)
3.2. Multiprogramación con intercambio a disco (Swapping).
Se trabaja con los dos niveles de almacenamiento para no limitar el número de
procesos, manteniendo los programas de los procesos que no están activos en
memoria secundaria.
Para conseguir esto, se catalogan los procesos entre los que deben ser residentes en
memoria principal y los que pueden pasar a disco. Entre estos últimos se puede usar
prioridades; de forma que un proceso no pasará a disco si existe otro cuya prioridad
le obliga a que pase antes.
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4. Organización de la
memoria virtual (I)
4.1. Conceptos básicos sobre memoria virtual (I).
Definición: memoria virtual (Fotheringham, 1961) es un método que permite
direccional un espacio de almacenamiento mucho mayor que el disponible en la
memoria principal. Para ello, el S. O. usa memoria a dos niveles y particiona los trabajos
en bloques, manteniendo en memoria principal aquellos bloques que se están usando.
Memoria secundaria
Memoria principal
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4. Organización de la
memoria virtual (II)
4.1. Conceptos básicos sobre memoria virtual (II).
Tamaño de los bloques:
con el mismo tamaño: páginas. Paginación.
con diferentes tamaños: segmentos. Segmentación.
Segmentos de tamaño variable
de páginas de tamaño fijo.
Paginación/Segmentación.
Definiciones:
1. Direcciones virtuales: las direcciones a las que se refiere un proceso durante su
ejecución. Espacio de direcciones virtuales.
2. Direcciones reales: las direcciones que tiene la memoria principal. Espacio de
direcciones reales.
Los mecanismos de traducción dinámica de direcciones (DAT) se encargan de
transformar las direcciones virtuales a direcciones reales, basándose en que direcciones
contiguas dentro del espacio de direcciones virtuales, no tienen por qué ser contiguas
dentro del almacenamiento real.
Para realizar esta transformación, los DAT mantienen por cada proceso un mapa que
indica qué direcciones virtuales se encuentran en memoria principal y dónde. Para que
este mapa no sea muy grande las transformaciones se realizan a nivel de bloque.
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4. Organización de la
memoria virtual (III)
4.1. Conceptos básicos sobre memoria virtual (III).
Traducción de una dirección virtual a una dirección real:
Num. bloque Desplazamiento
Registro
a
Dirección virtual
b
d
origen
v = (b, d)
a+b
+
a
b
b’
+
Tabla de mapa
de bloques
b’ + d
r
Dirección real
r = b’ + d
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4. Organización de la
memoria virtual (IV)
4.1. Conceptos básicos sobre memoria virtual (IV).
Protección:
Memoria Principal
Sistema Operativo
Claves de
protección
1
Trabajo A. Bloque 2.
2
Trabajo B. Bloque 3.
1
Trabajo A. Bloque 1.
C. P. U.
Clave de
protección
2
0
3
Trabajo C. Bloque 2.
2
Trabajo B. Bloque 2.
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5. Gestión de la memoria
virtual: Paginación (I)
5.1. Algoritmos de sustitución de página (I).
Principio de optimización: para obtener un rendimiento óptimo se debe desplazar
aquella página que no se va a usar en el futuro durante el período de tiempo más
largo.
Estrategias:
A. Reposición de página al azar.
Se elige al azar la página a desplazar, por lo tanto supone poca sobrecarga y no es
discriminatoria.
B. Reposición por el sistema de primero en entrar – primero en salir (FIFO).
Se desplaza la página que lleva más tiempo almacenada en memoria principal. Se
basa en que la página que lleva menos tiempo es porque se ha referenciado hace
poco, y por tanto la que lleva más tiempo es porque ya no se usa.
C. Reposición de página menos – recientemente – usada (LRU).
Se desplaza la página que no ha sido usada durante el mayor período de tiempo. Para
ello, es necesario ponerle un sello de tiempo a la página cada vez que sea
referenciada, suponiendo una sobrecarga adicional importante.
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5. Gestión de la memoria
virtual: Paginación (II)
5.1. Algoritmos de sustitución de página (II).
D. Reposición de página menos – frecuentemente – usada (LFU).
Se desplaza la página que se ha usado con menos frecuencia, por lo tanto cada
página posee un contador de utilización.
E. Reposición de página no usada – recientemente (NUR).
Se basa en que:
la página que no ha tenido un uso reciente tiene poca probabilidad de ser usada
en el futuro y puede por tanto ser reemplazada;
la sobrecarga es menor si se reemplaza una página que no ha cambiado desde
que se cargo en memoria principal, ya que no es necesario llevarla al
almacenamiento secundario.
Para llevar a cabo esta estrategia cada página va a tener dos bits hardware: bit
referenciado y bit modificado o bit sucio. La estrategia NUR elige la página a
desplazar siguiendo el orden de los siguientes grupos:
1º no referenciado no modificado
Cada cierto tiempo se ajusta todos los bits
2º referenciado no modificado
de referencia a 0, apareciendo un nuevo
grupo no referenciado modificado.
3º referenciado modificado
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5. Gestión de la memoria
virtual: Paginación (III)
5.2. Estrategias de búsqueda (I).
1. Paginación por demanda.
Ninguna página debe ser traída del almacenamiento secundario al principal hasta
que no sea referenciada de forma explícita por el proceso en ejecución.
Razones:
el camino que tomará la ejecución de un programa no se puede predecir con
exactitud,
se garantiza que las páginas que se llevan a la memoria principal son
realmente las únicas que los procesos necesitan;
la sobrecarga es inexistente.
Inconveniente: el proceso debe esperar a que se transfiera a la memoria principal
una a una cada página nueva que referencia.
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5. Gestión de la memoria
virtual: Paginación (IV)
5.2. Estrategias de búsqueda (II).
2.Paginación anticipada.
El S. O. intenta predecir las páginas que un proceso va a necesitar y precargar estas
páginas cuando hay espacio disponible, de forma que mientras que el proceso ejecuta sus
páginas actuales, el sistema carga nuevas páginas que estarán disponibles cuando el
proceso las pida. Se intenta reducir el tipo de espera de los procesos.
5.3. Evaluación de los sistemas paginados (I).
5.3.1. Liberación de página.
Cuando se hace evidente que una página ya no se necesita se debe liberar el marco de
página donde esta contenida.
Formas:
1. de forma voluntaria: la liberación es realizada por el usuario mediante
mandatos;
2. de forma automática: la responsabilidad recae en los compiladores y sistemas
operativos.
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5. Gestión de la memoria
virtual: Paginación (V)
5.3. Evaluación de los sistemas paginados (II).
5.3.2. Tamaño de página.
Fragmentación Fragmentación
de tablas
interna
Número de
transferencias
Desperdicio
(información
no usada)
Páginas
pequeñas
Páginas
grandes
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5. Gestión de la memoria
virtual: Paginación (VI)
5.3. Evaluación de los sistemas paginados (III).
5.3.3. Localidad.
Definición: la localidad se refiere al hecho de que los procesos tienden a hacer
referencias en patrones no uniformes pero si muy localizados.
Tipos:
1. localidad temporal: la zona de memoria referenciada recientemente tiene una alta
probabilidad de ser referenciada en un futuro próximo;
2. localidad en el espacio: una vez hecha una referencia a una zona determinada, es
probable que las zonas cercanas también sean referenciadas.
Consecuencia:un programa puede ser ejecutado eficientemente, si se tiene en memoria
principal un subconjunto de páginas de dicho programa que son las preferidas.
Teoría del conjunto de trabajo del comportamiento de un programa (Denning): es el
conjunto de páginas a las cuales el proceso hace referencia activamente.
Este conjunto de trabajo cambia durante la ejecución del proceso, por lo tanto cualquier
suposición sobre el tamaño y el contenido del conjunto de trabajo inicial de un proceso
no se puede aplicar a los sucesivos conjuntos de trabajo de dicho proceso.
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